[发明专利]用于多频带频率选择透波角度的多层超材料表面结构

说明书

本发明提出了一种用于多频带频率选择透波角度的多层超材料表面结构，以解决现有有源技术在波束调控上因结构复杂，难以实现多频带调控的技术问题；该多层超材料表面结构，是由周期性排列的数个超表面单元(1)组成，每个超表面单元(1)包括N层介质基板(2)，其中N≤5，每层介质基板上印制有一个金属贴片(3)，该金属贴片(3)上蚀刻有上下非对称的双开口环形缝隙(4)，且奇数层的金属贴片相对于偶数层的金属贴片旋转180度放置，以使多层超材料表面之间产生耦合，在低频段多增加N‑1个透波频带，实现电磁波在多个频带内进行频率选择透波角度传播。本发明具有结构简单，加工方便，易于维护的优点，可用于多功能天线罩的设计。

技术领域

本发明属于频控器件技术领域，具体涉及一种多层超材料表面结构，可用于实现多个频带下的频率选择角度透波。

技术背景

频率选择透波角度的超材料表面是一种通过改变透波频率来实现角度选择透波的频率选择表面FSS，由于其能够对入射电磁波表现出全透射的选频特性，故可有效用于多频带天线罩设计领域。

当FSS应用到复杂天线系统时，尤其是天线与多功能天线罩的一体化设计中，FSS的作用绝不单单局限于频选滤波，更要求FSS天线罩在实现频选滤波的基础上，能够进一步实现波束校准和波束调控，但这一FSS天线罩的多功能构建通常需要借助有源技术。例如，2013年，张谅在名为“基于有源频率选择表面的电扫描天线研究”的学术论文中，提出了一种基于有源频率选择表面的全向电控扫描天线，该结构在天线周围加载一圈结构相同的有源FSS，通过调节有源FSS的偏置电压，将相邻部分的FSS的反射频率调节到天线的工作频率，同时将另外的FSS调整到该频率下的透射状态，实现天线波束定向的功能。又如授权公告号为103904388A，名称为“单元间强耦合超宽可调范围有源频率选择表面”专利，公开了一种有源频率选择表面，其通过直接给变容二极管加载偏移电压，改变变容二极管的电容值，同时利用单元间的强耦合实现整个结构在超宽范围内谐振频率的变化。

以上所述的现有技术都引入了有源技术，利用二极管和调节二极管偏置电压的馈电网络实现波束的控制和谐振频率的控制，相比于单纯的无源波束调控而言成本高，结构复杂，而且不易维护。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种用于多频带频率选择透波角度的超材料表面结构，以通过无源波束调控降低加工成本，简化结构，且便于维护。

为实现上述目的，本发明的多层超材料表面结构，是由周期性排列的数个超表面单元1组成，其特征在于：每个超表面单元1包括N层介质基板2，其中N≤5，每层介质基板上印制有一个金属贴片3，金属贴片3上蚀刻有上下非对称的双开口环形缝隙4，且奇数层的金属贴片相对于偶数层的金属贴片旋转180度放置，以使多层超材料表面之间产生耦合，在低频段多增加N-1个透波频带，实现电磁波在多个频带内进行频率选择透波角度传播。

作为优选，金属贴片3的边长d为最大的透波频率f_0°对应波长的2～5倍。

作为优选，上下非对称双开口环形缝隙4的外环半径r₁为金属贴片3边长d的0.43～0.48倍。

作为优选，上下非对称双开口环形缝隙4，其上开口d₁为环形缝隙外环半径r₁的0.02～0.94倍，下开口d₂为环形缝隙外环半径r₁的0.07～1.02倍，使超表面的透波频率随着电磁波透波角度的变化产生偏移，两者之间的变化关系式为f_θ＝f_0°cos²θ+f_90°sin²θ，其中f_θ是透波角度为θ时的透波频率，f_0。是透波角度为0°时的透波频率，f_90°是透波角度为90°时的透波频率。